Posizionamento preciso dei wafer con il micrometro per il rivestimento PECVD

Il robot per la soluzione di handling assistita da elaborazione delle immagini è stato montato sul soffitto dell'area di carico del sistema di rivestimento a causa di limitazioni di spazio e ha una portata di 1.000 millimetri. (Fonte immagine: AZUR SPACE Solar Power) / A causa dello spazio limitato disponibile, il robot è stato montato sul soffitto dell'area di carico del sistema di rivestimento e ha una portata di 1.000 millimetri. (Foto: AZUR SPACE Solar Power)

Il sistema di presa a vuoto piatto, che può essere rapidamente sostituito per le diverse dimensioni dei wafer, mantiene stabile la precisione di posizionamento specificata di +/- 0,1 mm durante il carico dei portautensili. (Fonte immagine: AZUR SPACE Solar Power) / The flat vacuum gripping system, which can be quickly exchanged for the different sized wafers, maintains the specified positioning accuracy of +/- 0.1 mm when loading the workpiece carriers. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Il sistema di telecamere sopra il tavolo di allineamento retroilluminato rileva la posizione esatta del wafer e trasmette queste informazioni al software. Sulla base di ciò, il software calcola la compensazione di posizione e angolo necessaria per inserire il wafer nel nido del portatore. (Fonte immagine: AZUR SPACE Solar Power) / Il sistema di telecamere situato sopra il tavolo di allineamento retroilluminato rileva la posizione esatta del wafer e invia queste informazioni al software. Basandosi su questo, il software calcola la posizione e l'angolo di compensazione necessari per inserire il wafer nel nido del portatore. (Foto: AZUR SPACE Solar Power)

Per girare le celle solari da entrambi i lati per la verniciatura, è integrata una stazione di ribaltamento nel sistema di movimentazione. (Fonte immagine: AZUR SPACE Solar Power) / For turning the solar cells so that they can be coated on both sides there is a flipping station integrated. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Prima di inserire le celle solari rivestite nelle cassette, il sistema di telecamere verifica se i bordi dei wafer sono privi di danni. (Fonte immagine: AZUR SPACE Solar Power) / Before the coated solar cells are placed back into the cassettes the camera system checks whether the edges of the wafers are free of damage. (Photo: AZUR SPACE Solar Power)

Per il carico e lo scarico automatizzato di un portattrezzi con wafer di diverse dimensioni prima del rivestimento PECVD, acp systems ha sviluppato una soluzione robotica con elaborazione delle immagini per un produttore leader di tecnologia solare spaziale. Garantisce che la precisione di posizionamento prevista nei nidi dei portattrezzi venga rispettata entro +/- 0,1 mm e che vengano compensate sia le tolleranze di produzione dei portattrezzi sia il restringimento dovuto al raffreddamento che si verifica durante il caricamento.

La AZUR SPACE Solar Power GmbH, con sede a Heilbronn, è una delle aziende leader mondiali nello sviluppo e nella produzione di celle solari ad alta efficienza multipla per applicazioni spaziali e sistemi concentratori terrestri (CPV). Le celle solari si basano sulla tecnologia più recente Triple- e Quadruple-Junction, con strati costruiti su un substrato di germanio.

Automazione del processo di carico e scarico con sfide

Durante il processo di produzione, i wafer con diametro di 4, 6 e 8 pollici (100, 150 e 200 mm) attraversano, tra le altre cose, un processo PECVD (Deposizione di vapori chimici assistita da plasma – deposizione chimica assistita da plasma) in impianti della Singulus Technologies AG. Le celle solari vengono preparate in cassette, rimosse e posizionate in apposite tasche di portattrezzi in fibra di carbonio, leggermente più grandi di qualche centinaio di micrometri. A seconda delle dimensioni delle celle, i portattrezzi di 1000 x 600 mm possono contenere quattro, nove o 16 wafer. Per evitare collisioni, durante il caricamento dei portattrezzi è necessario mantenere una precisione di posizionamento di +/- 0,1 mm. Dopo il rivestimento su una o entrambe le facce, le celle solari vengono riposte nuovamente nelle cassette.

AZUR SPACE desiderava automatizzare questa attività, finora eseguita manualmente con pipette a vuoto, che richiedeva molto tempo e costi. Le sfide derivano dalla posizione dei wafer con superfici piane (flats) nelle cassette, con deviazioni di +/- 5 gradi e +/- 3 mm, nonché dalle posizioni esatte di presa. Inoltre, devono essere compensate sia le tolleranze di produzione dei portattrezzi sia il restringimento dovuto al raffreddamento. Questo si verifica a causa della diminuzione della temperatura dei portattrezzi, che escono dal processo di rivestimento a temperature fino a 350 °C e si raffreddano durante il caricamento e lo scarico.

Sicurezza della precisione di posizionamento con tavolo di allineamento illuminato e elaborazione delle immagini

Per questa sfida, il specialista in automazione acp systems AG ha sviluppato una soluzione intelligente di handling assistita da elaborazione delle immagini, con un robot industriale. Per motivi di spazio, il robot è montato sul soffitto dell’area di carico della linea di rivestimento e ha una portata di 1.000 millimetri. Il robot Scara è dotato di un sistema di presa a vuoto piatto speciale, facilmente intercambiabile per i diversi wafer.

Il robot preleva il wafer dalla cassetta e lo posiziona su un tavolo di allineamento retroilluminato. Sopra di esso è installato un sistema di telecamere con una fotocamera da 12 Megapixel a una distanza di lavoro di 680 mm. Rileva la posizione esatta del wafer e trasmette queste informazioni al software Cognex Vision Pro. In base a queste, vengono calcolate le correzioni di posizione e angolo, che devono essere applicate per inserire correttamente il wafer nel nido del portattrezzi, e vengono trasmesse al sistema di controllo del robot. Le eventuali distorsioni del sistema di telecamere sono state compensate durante la messa in funzione tramite una calibrazione con una "Checker Plate".

Per gestire le tolleranze di produzione dei portattrezzi e il restringimento dovuto al raffreddamento, il portattrezzi viene prima centrato tirandolo contro un fermo e tramite indicizzazione. Ciò permette di stabilire in modo riproducibile il punto di origine delle coordinate di tutti i portattrezzi nel sistema di handling. Inoltre, prima di tutto, tutti i portattrezzi sono stati accuratamente misurati in condizioni di freddo e dotati di un codice DataMatrix per l’identificazione. Sotto questo codice sono memorizzati i dati rilevanti per il calcolo della compensazione delle tolleranze di posizione del nido del portattrezzi nel sistema di controllo.

Per compensare il restringimento termico dovuto al raffreddamento dei portattrezzi, è stata prima applicata una marcatura di riferimento nell’angolo opposto al punto di origine delle coordinate del portattrezzi, che è stata anch’essa misurata con precisione in condizioni di freddo. Sopra di essa si trova un secondo sistema di telecamere, che rileva lo spostamento della marcatura di riferimento rispetto allo stato a freddo. Il software calcola da queste informazioni la compensazione per la posizione precisa del wafer. Questo processo viene ripetuto per ogni wafer da inserire.

Stazione di rotazione per girare i wafer

Per ruotare le celle solari, che vengono rivestite su entrambi i lati, acp systems ha integrato una stazione di flip. Questa riceve i wafer singolarmente dal robot e li afferra in aree definite con punti di vuoto a vuoto. Dopo una rotazione di 180 gradi, il robot riprende il wafer e lo trasporta al tavolo di allineamento.

Controllo qualità integrato

Prima che le celle solari rivestite vengano riposte nelle cassette, viene effettuato un controllo qualità finale tramite il sistema di telecamere sul tavolo di allineamento. Viene verificato che i bordi dei wafer siano privi di danni.

La soluzione robotica descritta, assistita da elaborazione delle immagini, garantisce una manipolazione altamente precisa e delicata dei wafer solari estremamente sensibili. Ciò si evidenzia soprattutto dal fatto che, dall’avvio, non si sono verificati rotture di wafer dovute alla manipolazione. In generale, la sostituzione della gestione manuale con un sistema completamente automatico ha portato a una produttività e un’efficienza significativamente migliorate.